一種基于Peltier效應的空氣能源電飯煲設計方案

屈宇琛，李嘉婉，孫宇迪，侯翔天，丁連博，馮松

（南華大學，湖南 衡陽 421000）

0 引言

烹飪的過程會消耗巨大的能量用以給食物加熱，烹飪是人們消耗能源的一大途徑。廚具的熱效率較低會浪費大量的能源，典型的燃氣類灶具的熱效率僅能保證達到50%以上，電器類灶具的情況相對較好，熱效率能達到80%左右。目前對于廚具熱效率優(yōu)化研究很多，但傳統(tǒng)的加熱方式熱效率不能大于100%，提升廚具的熱效率已經(jīng)接近極限。設計一種空氣能源的電飯煲，利用Peltier效應，在電能加熱的同時，從空氣中吸收熱量用于加熱。基于現(xiàn)有的半導體制冷技術，電飯煲的熱效率可以超過100%，提升至110%以上。相較于傳統(tǒng)的電器類廚具提升了30%以上的熱效率，具有顯著節(jié)熱效率果。

1 加熱組件設計

半導體制冷器是一種基于Peltier效應的新型制冷器件。同常規(guī)的壓縮式制冷方式相比，半導體制冷技術具有無運動部件、無噪音、體積小、質量輕、無污染、壽命長、易于實現(xiàn)小型化、集成化和可靠性高等特點。半導體制冷器結構如圖1所示。

圖1 半導體制冷器結構

半導體制冷器能夠承受的最高溫度依據(jù)型號不同在100℃到200℃之間不等。由于熱傳導的功率是正比于溫度梯度的，但半導體制冷器能達到的最高溫度被制約于200℃以下，且在200℃以內的溫度下，半導體制冷器的溫度越低，其工作狀態(tài)和穩(wěn)定性越高。相比于常規(guī)的加熱器件可以達到更高的溫度，這需要設計、生產(chǎn)導熱能力更優(yōu)越的材料以保證足夠的加熱功率。一般金屬的導熱能力可以滿足需求，不銹鋼的熱導率一般為36~54W/mk。但在此需要考慮電飯煲內膽與外壁之間的接觸情況，內膽與外壁接觸不良的情況下會充入空氣，在不考慮熱對流的情況下，空氣的熱導率僅為0.01~0.04W/mk，對傳熱功率影響較大。為此，在外壁表面覆蓋一層柔性導熱材料，當放入內膽時，保證內膽與與柔性導熱材料緊密接觸（如圖2所示）。對于半導體制冷器之間以及加熱組件的其他部分的接觸，由于使用中不會相互分開，使用一種成本較低的膏狀導熱硅脂填充即可實現(xiàn)良好的導熱效果（如圖3所示）。

圖2 內膽與外壁的接觸處理

單一半導體制冷單元能夠維持冷熱源之間的最大溫差僅在70℃左右，因此需要采取堆疊制冷器的方式才能實現(xiàn)在100℃以上的食物和15℃的室溫之間逆向傳熱（如圖3所示）。

圖3 加熱組件堆疊原理示意圖

2 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的功能主要是監(jiān)測加熱組件的溫度及工作狀態(tài)、控制電飯煲的工作狀態(tài)、為加熱組件提供保護、供用戶操作。

由于電飯煲的加熱組件工作的環(huán)境是不確定的，食物的種類、周圍的溫度等因素都會對加熱組件內的溫度造成影響。半導體制冷器所能承受的最高溫度隨型號不同在100~200℃之間。控制系統(tǒng)在電飯煲工作的過程中，需要監(jiān)控加熱組件各層片的溫度，通過調整各半導體制冷單元的功率，以確保不會出現(xiàn)半導體制冷器出現(xiàn)溫度過高燒毀的情況。控制系統(tǒng)還會對加熱組件建立數(shù)學模型，并結合實際監(jiān)測參數(shù)，對半導體制冷器堆疊過程中不同溫度層的半導體制冷器進行功率優(yōu)化，在正常工作的前提下，盡量提高電飯煲的熱效率。而用戶在使用電飯煲的時候，只需要進行簡單的操作，選擇工作模式、定時等，電飯煲即可自動工作。

下面簡單描述控制系統(tǒng)的組成部分，控制系統(tǒng)的整體結構如圖5所示。

（1）測溫：加熱組件需要監(jiān)測的主要參數(shù)就是溫度，控制系統(tǒng)會分別測量堆疊半導體制冷器每一層的溫度，以達到更好的保護作用和效率優(yōu)化。溫度測量傳感器采用熱敏電阻產(chǎn)生電壓模擬信號，通過A/D信號轉換為數(shù)字信號，傳輸給單片機識別并讀取溫度信息。

（2）單片機：控制系統(tǒng)核心采用嵌入式集成開發(fā)的Arduino單片機系統(tǒng)，相比于C51系列的單片機，Arduino單片機系統(tǒng)集成了A/D轉換器和D/A轉換器、I/O引腳有自帶的PWM控制功能。選擇Arduion單片機作為控制系統(tǒng)的處理器，可大幅度簡化外圍電路，降低控制電路的設計和調試難度。并且Arduino單片機的編程器集成了下載和串口調試的功能，方便軟件方面的調試。Arduino的編程軟件整合了許多種類的庫文件，可大大減輕程序編寫和調試的負擔，對于我們作品的開發(fā)是一類非常方便可靠的單片機系統(tǒng)。

（3）數(shù)碼管顯示：數(shù)碼管顯示的信息包括溫度、設定時間、工作模式等。

（4）電源系統(tǒng)：電源系統(tǒng)負責給整個電飯煲供電，其中單片機工作的電壓為5V，而半導體制冷器工作的電壓為12V左右。為半導體制冷器供電的開關電源受單片機控制，單片機通過D/A轉換器輸出的模擬信號可以控制開關電源的電壓大小以及方向，以此來進行半導體制冷器的功率極性調節(jié)。

（5）按鍵：用于用戶操作、設定電飯煲功能。

圖4 控制系統(tǒng)結構

3 工作性能分析

電飯煲結構示意圖如圖5所示。由于其加熱組件的結構，空氣能源電飯煲比普通電飯煲高度高一些。在工作時，嵌入式處理器根據(jù)用戶通過控制面板設定的模式，控制電源組件為加熱組件和風扇供電。加熱組件的每一層都有獨立的溫度傳感器，并且每一層半導體制冷器都獨立受控。加熱組件的上端直接連接內膽進行加熱，風扇轉動迫使空氣從側邊進風口流向底部出風口，散熱片在此過程中吸收空氣中的熱量。內膽外有隔熱外壁，減少熱量的散失。當電飯煲開啟制冷模式時，半導體制冷器上的電流方向會反轉，此時半導體制冷器從內膽中向空氣中吸收熱量，實現(xiàn)給內膽中食物降溫的功能。

圖5 空氣能源電飯煲結構示意圖

采用TEC112703、TEC112704與TEC112706系列制冷器，制冷器在不同的溫度差和不同的電壓下工作效率不同，圖6為制冷器的工作效率圖，規(guī)格書數(shù)據(jù)為制冷器廠家提供的測試數(shù)據(jù)，模型計算結果為理論計算值。可見溫度越低，制冷器的工作效率越高，電壓對工作效率的影響則不是單調函數(shù)。隨著電飯煲加熱的進行，加熱模組上下端的溫度差越來越高，對應的最佳工作效率的電壓也不同，效率隨電壓變化的曲線逐漸變?yōu)閱畏迩€。為了兼顧電飯煲的熱效率和加熱功率，我們通過處理器對工作過程中的電壓進行優(yōu)化，同時，為用戶提供節(jié)能模式和大功率模式的選擇。但隨著鍋內溫度的升高，半導體制冷器的工作效率必然會有所下降，電飯煲工作于不同的外界環(huán)境以及不同工作模式下也導致其工作效率改變。在最糟糕的工作條件下，其瞬時熱效率也會下降到90%左右，但一次工作的平均熱效率也可以達到100%以上。在一般情況下，空氣能源電飯煲的工作的最高瞬時熱效率可達到150%，最低工作熱效率在100%左右，平均工作熱效率為110%~130%。

圖6 不同溫度下效率cop與電壓的關系[3]

4 經(jīng)濟性分析

空氣能源電飯煲是基于普通電飯煲生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，所以在對其進行經(jīng)濟分析時僅討論額外增加的成本，以及其節(jié)能的效果和所帶來的經(jīng)濟效益。空氣能源電飯煲額外增加的配件及成本清單如表1所示。

表1 產(chǎn)品增加配件的成本清單

一臺空氣能源電飯煲相較于普通電飯煲所增加的成本大約在283.5元左右，這是在研發(fā)階段通過零售渠道購買配件所增加的成本。如果實際生產(chǎn)，是通過批發(fā)方式獲取配件，且空氣能源電飯煲不需要普通電飯煲的加熱盤，機械溫控裝置等配件，可節(jié)約一定成本，此額外增加的成本預計將縮減到200元左右。該產(chǎn)品有希望獲得國家對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的政策支持，在用戶購買時得到補貼，如此，產(chǎn)品所額外增加的成本是可以被大多數(shù)用戶接受的。

空氣能源電飯煲包含煮飯、煲湯等多種功能，其平均工作效率比普通電飯煲高出30%左右。根據(jù)中國全國人民的飲食習慣進行估計，如果一個家庭大多數(shù)時間在家做飯。考慮到電飯煲的各種功能使用情況，空氣能源電飯煲平均每天可幫助用戶節(jié)約0.4-0.8kw/h的電能。在一般城市地區(qū)，平均電價按0.6元/（kw/h）計算，空氣能源電飯煲平均一年可以為用戶節(jié)省87.6-175.2元的電費，具有良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

5 結語

在全國大中城市，家用電器類廚具普及數(shù)量很多，電器類廚具的節(jié)能性都有待改進，空氣能源電飯煲采用半導體制冷技術，具又顯著節(jié)能效果。現(xiàn)在的電飯煲已經(jīng)逐步發(fā)展為了多功能電飯煲，不僅用于煮飯，還可以進行如燉菜、煲湯等方式的烹飪，本設計加入了制冷功能，更加擴寬了電飯煲的使用場景。在以米食為主食之一的中國各個地區(qū)，空氣能源電飯煲均可應用。現(xiàn)有節(jié)能產(chǎn)品在推廣上遇到的一類共同問題就是成本相較于普通產(chǎn)品偏高，但本設計具有的顯著節(jié)熱效率果在長期使用中不僅可以彌補成本問題，還可以帶來更多的節(jié)能經(jīng)濟效益。